WO2010073708A1 - 波長フィルタ - Google Patents

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WO2010073708A1
WO2010073708A1 PCT/JP2009/007264 JP2009007264W WO2010073708A1 WO 2010073708 A1 WO2010073708 A1 WO 2010073708A1 JP 2009007264 W JP2009007264 W JP 2009007264W WO 2010073708 A1 WO2010073708 A1 WO 2010073708A1
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photonic crystal
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徳島正敏
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日本電気株式会社
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • G02B2006/12109—Filter
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    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12159—Interferometer

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength filter having a photonic crystal structure that transmits an optical signal in a predetermined frequency band.
  • an optical circuit is configured by connecting optical components such as an optical switch, a wavelength filter (Wavelength Filter), and a 3 dB coupler (optical coupler) via an optical waveguide such as an optical fiber (Optical Waveguide).
  • optical switch having a photonic crystal structure (Photonic Crystal Structure) disclosed in Patent Document 1.
  • the photonic crystal (or “photonic crystal body”) is a general term for structures in which the refractive index of light is periodically changed.
  • the photonic crystal has various special optical features resulting from the periodic structure of the refractive index distribution, and a typical feature is a photonic band gap (PBG).
  • the photonic crystal transmits light, but does not transmit light in a specific frequency band if the periodic refractive index change in the crystal is sufficiently large.
  • the frequency band (or wavelength region) of light that passes through the photonic crystal is referred to as a photonic band.
  • the frequency band of light that does not pass through the photonic crystal is called a photonic band gap (PBG) in the sense of a gap that exists between photonic bands.
  • a photonic band gap may exist in a plurality of frequency bands.
  • the photonic bands divided by the photonic band gap are referred to as a first band, a second band, and a third band in ascending order of frequency.
  • the photonic crystal If there is a minute defect in the photonic crystal that destroys the periodic structure of the refractive index distribution (or the periodicity of the refractive index), light having a photonic band gap frequency is confined in the minute defect. It will be. In that case, since only light having a frequency corresponding to the size of the minute defect is confined, the photonic crystal functions as a resonator. Therefore, the photonic crystal can be used as a frequency selection (wavelength selection) filter (or an optical filter).
  • a line defect When a line defect is formed by continuously arranging a plurality of minute defects in a photonic crystal, light having a photonic band gap frequency is confined in the line defect, Propagation along line defects. That is, a photonic crystal having a line defect can be used as an optical waveguide.
  • An optical waveguide made of a photonic crystal in which a line defect is formed is called a line defect waveguide.
  • An optical functional element such as an optical modulator or an optical switch can be configured by using one of the optical filter and the optical waveguide, or by combining the two. That is, an optical circuit can be configured by forming and connecting an optical functional element in a photonic crystal. For these reasons, photonic crystals are expected as an optical integrated circuit platform.
  • the photonic crystal structure that can actually be used as an optical integrated circuit platform has the following limitations.
  • the refractive index distribution of the photonic crystal needs to form a three-dimensional periodic structure.
  • a photonic crystal having a two-dimensional structure refractive index distribution (hereinafter referred to as a two-dimensional photonic crystal) is often used.
  • the two-dimensional photonic crystal used is formed in a substrate shape having a finite thickness, and the refractive index distribution has periodicity in a plane, but the refractive index distribution in the thickness direction of the substrate is Does not have periodicity.
  • the confinement of light in the thickness direction of the substrate is realized not by the PBG effect but by total reflection due to the difference in refractive index.
  • optical characteristics of a two-dimensional photonic crystal with a finite thickness do not completely match the optical characteristics of a two-dimensional photonic crystal with an infinite thickness.
  • the refractive index distribution in the thickness direction of a two-dimensional photonic crystal of finite thickness is mirror-symmetric in the light propagation region, its optical characteristics are the optical characteristics of the two-dimensional photonic crystal of infinite thickness. Almost matches. Operation prediction of an infinite thickness two-dimensional photonic crystal is much easier than operation prediction of a two-dimensional photonic crystal of finite thickness. For this reason, it is easy to design a device using a two-dimensional photonic crystal having a mirror-symmetric refractive index distribution.
  • a pillar-type square lattice photonic crystal has a characteristic that the propagation speed of light in a line defect waveguide is slow in a wide frequency band (that is, a low group velocity characteristic).
  • an optical circuit having a predetermined function can be configured with a short waveguide length. Therefore, a line defect waveguide using a columnar square lattice photonic crystal is suitable for an optical integrated circuit.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the structure of a line defect waveguide of a columnar square lattice photonic crystal 100 having a finite thickness.
  • a finite height cylinder 102 made of a high dielectric constant material and a cylinder 103 having a smaller diameter than the cylinder 102 are arranged in a square lattice in a low dielectric constant material 101.
  • the square lattice arrangement of the cylinders 102 and 103 is similar to the lattice arrangement of atoms in a crystal such as silicon or quartz and is used for optical applications, it is called a “photonic crystal”.
  • Each material of the low dielectric constant material 101, the cylinder 102, and the cylinder 103 need not have a crystal structure, and may have an amorphous structure.
  • the cylinder 102 is a perfectly periodic photonic crystal cylinder, whereas the cylinder 103 is smaller in diameter than the cylinder 102, so that the cylinder 103 is regarded as a defect generated in the complete crystal. be able to.
  • the former in order to distinguish between the complete crystal cylinder 102 and the cylinder 103 corresponding to a defect, the former is referred to as a “non-linear defect column” and the latter is referred to as a “line defect column”.
  • the line defect pillar 103 itself does not have a defect.
  • the line defect pillars 103 are arranged in a straight line, and a line defect waveguide is formed by the linear arrangement of the line defect pillars 103 and the surrounding non-linear defect pillars 102.
  • the linear arrangement of the line defect columns 103 corresponds to the core of a total reflection confinement waveguide such as an optical fiber, and the lattices of the nonlinear defect columns 102 on both sides thereof.
  • the arrangement and the surrounding low dielectric constant material 101 correspond to the cladding.
  • the line defect waveguide Similar to the total reflection confinement type waveguide that functions as a waveguide by the core and the clad, the line defect waveguide also functions as a waveguide by the line defect column 103, the surrounding non-linear defect column 102 and the low dielectric constant material 101. .
  • a line defect waveguide can be operated as a single mode waveguide having only a fundamental mode by appropriate design and creation.
  • a wavelength filter can be formed by forming minute defects in a photonic crystal.
  • a wavelength filter is configured by arranging a line defect waveguide in the vicinity of a microresonator or by inserting a microresonator in a part of the line defect waveguide. ing.
  • a microresonator type wavelength filter has a Lorentz type transmission characteristic, and has a problem that a full width at half maximum corresponding to a transmission bandwidth is narrow. For this reason, a method has been adopted in which a plurality of microresonators having the same structure are connected and arranged so that the microresonators are optically coupled to each other and operated to widen the transmission characteristics, that is, to have a flat top.
  • a wavelength filter having a certain degree of broadband transmission / reflection characteristics using a microresonator
  • the transmission characteristics of a wavelength filter can be greatly broadened using a microresonator having a narrowband transmission characteristic. In this case, the number of microresonators to be coupled increases, thereby increasing the size of the wavelength filter.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a wavelength filter having a photonic crystal structure capable of ensuring a wide band of transmission / reflection characteristics without increasing the size. It is.
  • the wavelength filter according to the present invention includes a first waveguide having a predetermined fundamental mode transmission band and at least one location of the first waveguide, and cuts off a finite value included in the fundamental mode transmission band.
  • a second waveguide having a transmission band having a frequency is provided.
  • a pair of optical couplers constituting the Mach-Zehnder optical interferometer are connected to both sides of the filter main body composed of the first waveguide and the second waveguide.
  • the cutoff frequency of the second waveguide of each wavelength filter may be made different.
  • the filter main body of the wavelength filter according to the present invention light transmitted through the first waveguide is transmitted or reflected with the cut-off frequency (or cut-off wavelength) of the second waveguide as a boundary.
  • Broadband optical filtering with the cut-off frequency as a boundary is realized with the configuration.
  • a wide light transmission / reflection band can be secured without increasing the size of the structure.
  • Example 1 of this invention It is a perspective view of the wavelength filter which concerns on Example 1 of this invention. It is a graph which shows the transmission spectrum of the line defect waveguide of a column-type square lattice photonic crystal. It is a graph which shows the transmission spectrum corresponding to a low-pass filtering characteristic. It is a figure explaining the method of changing the cutoff frequency of a pillar type photonic crystal waveguide by the pillar cross-sectional area of a line defect pillar, (a) shows the waveguide which permeate
  • FIG. It is a figure which shows the propagation path and frequency spectrum when the light L10c which comprises the input light L10 injects in the wavelength filter which concerns on Example 3.
  • FIG. It is a figure which shows the propagation path and frequency spectrum at the time of injecting light L10b which comprises the input light L10 in the wavelength filter which concerns on Example 3.
  • FIG. It is a figure which shows the propagation path and frequency spectrum at the time of entering the input light L12 in the wavelength filter which concerns on Example 3.
  • FIG. It is a perspective view showing the structure of a line defect waveguide of a columnar square lattice photonic crystal of finite thickness.
  • the wavelength filter 1 includes a first waveguide 11 having a predetermined fundamental mode transmission band, and a second waveguide provided in at least one place in the path of the first waveguide 11.
  • a filter body 10 having a waveguide 12 is formed.
  • the second waveguide 12 has a fundamental mode transmission band having a finite value included in the fundamental mode transmission band of the first waveguide 11 as a cutoff wavelength.
  • the first waveguide 11 and the second waveguide 12 are photonic crystal waveguides, that is, columnar square lattice photonic crystal waveguides.
  • the first waveguide 11 is composed of a base body 11a made of a low dielectric constant material and a non-linear defect column 11b and a line defect column 11c made of a dielectric material higher than the base body 11a and arranged in a columnar shape. Is done.
  • the second waveguide 12 is composed of a base 12a made of a low dielectric constant material, and a non-linear defect pillar 12b and a line defect pillar made of a dielectric material higher than the base 12a and arranged in a cylindrical shape. 12c.
  • the non-linear defect column and the line defect column are as described above.
  • FIG. 2 is a graph showing an example of a transmission spectrum actually measured for a line defect waveguide made of a columnar square lattice photonic crystal, where the horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the transmittance.
  • the wavelength of the transmission band of this waveguide is in the range of 1525 nm to 1605 nm, and the cutoff wavelength on the short wavelength side (or high frequency side) is 1525 nm.
  • the waveguide functions as a low-pass filter that transmits light having a wavelength (or longer wavelength) smaller than the cutoff wavelength.
  • FIG. 3 is a graph showing a transmission spectrum corresponding to the low-pass filtering characteristics, where the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents transmittance.
  • the photonic crystal waveguide can be freely designed with a cutoff wavelength in its transmission band.
  • the design principle of the cut-off frequency (or cut-off wavelength) of the transmission band of a waveguide made of a pillar type photonic crystal will be described with reference to FIGS. 4 (a) and 4 (b).
  • the C band which is an optical communication wavelength band
  • a waveguide (FIG. 4B) having a cutoff frequency in the middle of the C band can be designed.
  • the first waveguide 11 is a line defect waveguide that transmits light in the entire C band
  • the second waveguide 12 is a finite length line defect waveguide having a cutoff frequency fc in the middle of the C band. Then, the second waveguide 12 is inserted into the first waveguide 11 to form a low-pass filter.
  • various methods other than the method for changing the cross-sectional area of the line defect column of the line defect waveguide can be used.
  • the wavelength filter 1 can be configured using the first waveguide 11 that transmits light in the entire C band and the second waveguide 12 that has a cutoff frequency in the middle of the C band.
  • the wavelength filter 1 includes a first waveguide 11 having a C-band as a fundamental mode transmission band, and a second waveguide 12 provided in at least one of the paths of the first waveguide 11.
  • the second waveguide 12 is a low-pass filter provided with a fundamental mode transmission band having a cutoff frequency fc (a finite value included in the C band).
  • Both the first waveguide 11 and the second waveguide 12 are single mode waveguides, and the operation band thereof is a part or the whole of the C band (which is the transmission band of the fundamental mode of the first waveguide 11).
  • the cut-off frequency fc of the second waveguide 12 is included in the operation band, and the cut-off frequency fc is the cut-off frequency on the high frequency side.
  • Example 1 since a pillar-type photonic crystal is used for the second waveguide 12, the cutoff frequency fc becomes the upper limit frequency of the transmission band, and thus functions as a low-pass filter.
  • the cutoff frequency fc becomes the lower limit frequency of the transmission band, and functions as a high-pass filter.
  • a hole-type photonic crystal may be used for the first waveguide 1 at the same time.
  • the photonic crystal is manufactured using an SOI wafer (Silicon On Insulator Wafer) as a substrate.
  • SOI wafer Silicon On Insulator Wafer
  • an SOI wafer having a buried oxide film thickness of 2.0 ⁇ m and a silicon active layer thickness of 1.0 ⁇ m is used.
  • the silicon active layer is non-doped.
  • the pattern shown in FIG. 1 is drawn using an electron beam exposure technique.
  • the wavelength of the guided light for optical communication is 1.55 ⁇ m
  • the lattice constant is 0.4 ⁇ m and the diameter of the cylinder is 0.24 ⁇ m.
  • the diameter of the line defect column 11c is 0.16 ⁇ m
  • the diameter of the line defect column 12c is 0.20 ⁇ m.
  • the silicon active layer is vertically processed according to the resist pattern drawn by anisotropic dry etching. Thereafter, the remaining resist pattern is removed with acetone, an ultraviolet curable resin having the same refractive index of 1.45 as that of the buried oxide film is applied, and cured with ultraviolet rays. In this way, the wavelength filter 1 is manufactured.
  • the wavelength filter 20 according to the second embodiment of the present invention will be described.
  • the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the wavelength filter 20 is a directional coupler, and includes a pair of 3 dB couplers 21 and 22 and two filter main bodies 23 disposed between the 3 dB couplers 21 and 22. 24.
  • Each of the filter bodies 23 and 24 has the same configuration as that of the filter body 10, and includes the first waveguide 11 and the second waveguide 12.
  • a pair of 3 dB couplers 21 and 22 constitutes a Mach-Zehnder optical interferometer, and ends of the filter bodies 23 and 24 are connected to the 3 dB couplers 21 and 22, respectively.
  • the 3 dB couplers 21 and 22 are schematically represented by linear waveguides, but the 3 dB couplers 21 and 22 may be configured by photonic crystal waveguides. It is preferable that the wavelength dependence of the 3 dB couplers 21 and 22 is sufficiently small within the operating frequency range of the wavelength filter 20.
  • the filter bodies 23 and 24 constitute a low-pass filter having a cutoff frequency f1, and the cutoff frequency on the upper limit side of the 3 dB couplers 21 and 22 is f0.
  • the input light L1 having the frequency fi (fi ⁇ f0) is incident on the port 21a of the 3 dB coupler 21
  • the input light L1 is branched into two branched lights L2 and L3 when passing through the 3 dB coupler 21.
  • the branched light L2 is supplied from the port 21b to the filter body 23, and the branched light L3 is supplied from the port 21c to the filter body 24.
  • the wavelength filter 20 performs the following operation according to the magnitude relationship between the frequency Li of the input light L1, the upper limit cutoff frequency f0 of the 3 dB couplers 21 and 22, and the cutoff frequency f1 of the filter bodies 23 and 24.
  • the branched lights L2 and L3 pass through the filter bodies 23 and 24. Reflected without being transmitted. The reflected branched lights L2 and L3 return to the 3 dB coupler 21, but if the phase of both does not change, the output light L4 is transmitted through the 3 dB coupler 21 in the reverse direction and output from the port 21d. .
  • the frequency fi of the input light L1 is fi ⁇ f1
  • the frequency fi of the input light L1 is lower than the cutoff frequency f1 of the filter bodies 23 and 24, so that the branched lights L2 and L3 pass through the filter bodies 23 and 24, It is supplied to the 3 dB coupler 22 via the ports 22a and 22b. Thereafter, the branched lights L2 and L3 are transmitted through the 3 dB coupler 22. At this time, if the phase of both does not change, the branched lights L2 and L3 are output from the port 22c as output light L5.
  • the output light L4 of the frequency spectrum S4 is output from the port 21d of the 3 dB coupler 21, while the 3 dB coupler 22
  • the output light L5 of the frequency spectrum S5 is output from the port 22c.
  • the input light L1 is demultiplexed into the output light L4 on the high frequency side and the output light L5 on the low frequency side by the wavelength filter 20 which is a Mach-Zehnder optical interferometer, with the cutoff frequency f1 as a boundary.
  • the wavelength filter 20 when operated in the reverse direction, it functions as a multiplexer.
  • the wavelength filter 20 when operated in the reverse direction, it functions as a multiplexer.
  • light of frequency fia (f1 ⁇ fia ⁇ f0) is incident on the port 21d of the 3 dB coupler 21 and light of frequency fib (fib ⁇ f1) is simultaneously incident on the port 22c of the 3 dB coupler 22, the 3 dB coupler 21
  • Light of frequency fia and frequency fib is multiplexed and output from the port 21a.
  • the wavelength filter 30 according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the same parts as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the wavelength filter 30 forms a Mach-Zehnder optical interferometer, and is configured by connecting a first wavelength filter 31 and a second wavelength filter 32.
  • the first wavelength filter 31 includes a pair of 3 dB couplers 33 and 34 and filter bodies 35 and 36.
  • the second wavelength filter 32 includes a pair of 3 dB couplers 37 and 38 and filter bodies 39 and 40.
  • the wavelength filter 30 functions as a band-pass filter that transmits light having a frequency fi (f2 ⁇ fi ⁇ f1 ⁇ f0).
  • the cutoff frequency f1 of the second waveguides of the filter bodies 35 and 36 of the first wavelength filter 31 is the cutoff of the second waveguides of the filter bodies 39 and 40 of the second wavelength filter 32. It is different from the off-frequency f2, and has a relationship of f2 ⁇ f1.
  • the 3 dB coupler 33 connected to one end side of the filter main bodies 35 and 36 can input and output light through the ports 33a and 33b.
  • the 3 dB coupler 34 connected to the other end side of the filter bodies 35 and 36 has ports 34 a and 34 b connected to ports 37 a and 38 a of the 3 dB couplers 37 and 38 of the second wavelength filter 32, respectively.
  • the port 37 a of the 3 dB coupler 37 connected to one end side of the filter bodies 39 and 40 is connected to the port 34 a of the 3 dB coupler 34, and the port 37 b can input and output light.
  • the port 38a of the 3 dB coupler 38 connected to the other end side of the filter bodies 39 and 40 of the second wavelength filter 32 is connected to the port 34b of the 3 dB coupler 34, and the port 38b can input and output light.
  • Each of the 3 dB couplers 33 and 34 and the 3 dB coupler 38 is symmetric with respect to the center, and outputs light to a waveguide provided at a position that is diagonal to the input waveguide (that is, a position that is point-symmetric).
  • the lengths of the parallel waveguides constituting the 3 dB couplers 33, 34, and 38 are determined.
  • the 3 dB coupler 37 outputs light to a waveguide provided at a position that is plane-symmetrical with respect to a plane perpendicular to the input waveguide at the center position instead of a position that forms a diagonal line with respect to the input waveguide.
  • the length of the parallel waveguide constituting the 3 dB coupler 37 is determined.
  • FIG. 7 shows the transmission characteristics of the wavelength filter 30.
  • the first input light L10 has a frequency spectrum S10 and includes light L10a, L10b, and L10c having a plurality of different wavelengths.
  • the first input light L10 is incident on the port 33a of the 3 dB coupler 33, the light L10b having the frequency fi of f2 ⁇ fi ⁇ f1 propagates from the first wavelength filter 31 to the second wavelength filter 32.
  • the output light L11 having the frequency spectrum S11 is output from the 3 dB port 38b.
  • the light L10a having the frequency fi of f1 ⁇ fi ⁇ f0 is reflected by the first wavelength filter 31, and is output from the port 33b of the 3 dB coupler 33 as the light L13a and the light L13c. Is done. Further, the light L10c having the frequency fi of fi ⁇ f2 propagates through the first wavelength filter 31 and the second wavelength filter 32 in order, and then propagates again through the first wavelength filter 31, and also as the light L13c, a 3 dB coupler. It is output from 33 port 33b.
  • the second input light L12 having the frequency fi of f2 ⁇ fi ⁇ f1 and having the frequency spectrum S12 enters the port 38b of the 3 dB coupler 38 of the second wavelength filter 32.
  • the second input light L12 propagates through the second wavelength filter 32 and the first wavelength filter 31, and is output from the port 33b of the 3 dB coupler 33 as the light L13b. That is, the lights L13a and L13c corresponding to the lights L10a and L10c and the light L13b corresponding to the second input light L12 are combined and output as the output light L13 from the port 33b of the 3 dB coupler 33 of the first wavelength filter 31. Is done.
  • the frequency spectrum S13 of the output light L13 is a combination of the frequency spectra of the lights L10a and L10c and the second input light L12.
  • the wavelength filter 30 functions as an optical add / drop filter (Optical Add / Drop Filter).
  • FIG. 8 schematically shows how the light L10a enters the port 33a of the 3 dB coupler 33 of the first wavelength filter 31 and is output from the port 33b as the light L13a. After passing through the 3 dB coupler 33, it is divided into two and supplied to the filter bodies 35 and 36. Thereafter, the branched light of the light L10a is reflected by the filter bodies 35 and 36 and is output from the port 33b of the 3 dB coupler 33 as the light L13a having the frequency spectrum S13a.
  • FIG. 9 schematically shows how the light L10c enters the port 33a of the 3 dB coupler 33 of the first wavelength filter 31 and is output from the port 33b as the light L13c. After passing through the 3 dB coupler 33, it is divided into two and supplied to the filter bodies 35 and 36.
  • the transmitted light is output from the port 34 b of the 3 dB coupler 34 and then propagates to the port 38 a of the 3 dB coupler 38. Further, the input light of the 3 dB coupler 38 is divided into two, propagates through the filter main bodies 39 and 40 of the second wavelength filter 32, and is output from the port 37 a of the 3 dB coupler 37, and is output from the 3 dB coupler 34 of the first wavelength filter 31. Input to port 34a.
  • the transmitted light of the 3 dB coupler 34 is divided into two and propagates through the filter bodies 35 and 36 of the first wavelength filter 31, and then output from the port 33 b of the 3 dB coupler 33 as light L 13 c having the frequency spectrum S 13 c.
  • FIG. 10 schematically shows that the light L10b is incident on the port 33a of the 3 dB coupler 33 of the first wavelength filter 31 and is output as the output light L11 from the port 38b of the coupler 38 of the second wavelength filter 32. Show.
  • the light L ⁇ b> 10 b passes through the 3 dB coupler 33 and the 3 dB coupler 34 of the first wavelength filter 31 and then is input to the port 38 a of the 3 dB coupler 38.
  • the input light of the 3 dB coupler 38 is divided into two, reflected by the filter bodies 39 and 40, and output from the port 38b as output light S11 having the frequency spectrum S11.
  • FIG. 11 schematically shows that the light L12 is incident on the port 38b of the 3 dB coupler 38 of the second wavelength filter 32 and is output as the output light L13b from the port 33b of the coupler 33 of the first wavelength filter 31. Show.
  • the light L12 propagates to the port 37b of the 3 dB coupler 37 of the second wavelength filter 32, passes through the 3 dB coupler 37, is divided into two, and is supplied to the filter bodies 39 and 40.
  • the transmitted light is reflected by the filter bodies 39 and 40 and output from the port 37 a of the 3 dB coupler 37. Thereafter, the transmitted light is supplied to the port 34a of the 3 dB coupler 34 of the first wavelength filter 31, and is output as the light L13b from the port 33b of the 3 dB coupler 33 via the filter bodies 35 and 36.
  • the wavelength filter 30 functions as a wideband wavelength filter (that is, an add / drop filter) without using a narrowband resonator.
  • the cutoff frequencies f1 and f2 are cutoff frequencies of the second waveguides of the filter bodies 35, 36, 39, and 40 of the first wavelength filter 31 and the second wavelength filter 32, and thus the entire circuit area.
  • the wavelength filter 30 can be easily designed without changing the above. That is, unlike the resonator type wavelength filter, the wavelength filter 30 can easily execute an add / drop operation for light in a certain frequency band.
  • a cylinder other than the line defect column constituting the photonic crystal may be displaced, or its cross-sectional area may be increased or decreased.
  • the column shape is not limited to a cylinder, and may be another shape such as a quadrangular column or an octagonal column.
  • the present invention provides a wavelength filter that has a simple and compact structure and realizes broadband light transmission and reflection, and can be applied to various optical integrated circuits and optical communication technologies.
  • Example 1 wavelength filter (Example 1) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Filter main body 11 1st waveguide 12 2nd waveguide 20 Wavelength filter (Example 2) 21 3 dB coupler 22 3 dB coupler 30 wavelength filter (Example 3) 31 1st wavelength filter 32 2nd wavelength filter

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Abstract

　波長フィルタは、所定の基本モードの透過帯域を有する第１の導波路と、第１の導波路の少なくとも一箇所に設けられ、基本モードの透過帯域に含まれる有限値をカットオフ周波数とする透過帯域を有する第２の導波路を具備する。また、マッハツェンダー光干渉計を構成する一対の光結合器を第１の導波路と第２の導波路よりなるフィルタ本体の両側に接続する。複数の波長フィルタを縦列結合した場合、各波長フィルタの第２の導波路のカットオフ周波数を異ならせしめるようにしてもよい。

Description

波長フィルタ
　本発明は、所定の周波数帯域の光信号を透過するフォトニック結晶構造を有する波長フィルタに関する。
　本願は、２００８年１２月２６日に、日本国に出願された特願２００８－３３２４２１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
電子部品が集積されたトランジスタ集積回路のように、光部品が集積された光集積回路を実現する技術が開発されている。現状では、光スイッチ、波長フィルタ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｆｉｌｔｅｒ）、３ｄＢ結合器（光カプラ）などの光部品を、光ファイバなどの光導波路（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を介して接続することによって光回路が構成されているが、複数の光部品を小さなチップに集積させることができれば、光回路の体積、消費電力、製造コストを飛躍的に低減することができる。これまで、種々の光集積回路技術が開発されており、例えば、特許文献１に開示されたフォトニック結晶構造（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｓｔｕｃｔｕｒｅ）を有する光スイッチがある。フォトニック結晶（或いは、「フォトニック結晶体」）とは、光の屈折率を周期的に変化させた構造体の総称である。
フォトニック結晶は、屈折率分布の周期構造に起因する種々の特殊な光学的特長を有しており、代表的な特徴としてフォトニック・バンド・ギャップ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｂａｎｄ　Ｇａｐ：ＰＢＧ）が挙げられる。フォトニック結晶は光を透過するが、結晶中の周期的な屈折率変化が十分に大きいと、特定の周波数帯域の光を透過しない。フォトニック結晶を透過する光の周波数帯域（或いは、波長領域）をフォトニック・バンド（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｂａｎｄ）という。また、フォトニック結晶を透過しない光の周波数帯域は、フォトニック・バンドの間に存在するギャップという意味で、フォトニック・バンド・ギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれる。フォトニック結晶の構造によっては、フォトニック・バンド・ギャップが複数の周波数帯域に存在することもある。フォトニック・バンド・ギャップにより分断されたフォトニック・バンドは、周波数の小さい方から第１バンド、第２バンド、第３バンドと呼ばれる。
フォトニック結晶中に、屈折率分布の周期構造（或いは、屈折率の周期性）を崩すような微小な欠陥が存在すると、フォトニック・バンド・ギャップの周波数を有する光はその微小欠陥に閉じ込められることとなる。その場合、微小欠陥の大きさに対応した周波数の光のみが閉じ込められるため、フォトニック結晶は共振器として機能する。このため、フォトニック結晶は周波数選択（波長選択）フィルタ（或いは、光フィルタ）として利用することができる。
フォトニック結晶中に複数の微小欠陥が連続的に並んで列を成して線欠陥（Ｌｉｎｅ　Ｄｅｆｅｃｔ）が形成されると、フォトニック・バンド・ギャップの周波数を有する光は線欠陥に閉じ込められ、線欠陥に沿って伝播することとなる。即ち、線欠陥を有するフォトニック結晶を光導波路として利用することができる。線欠陥が形成されたフォトニック結晶よりなる光導波路は、線欠陥導波路と呼ばれる。
光フィルタや光導波路の一方を用いるか、或いは両者を組み合わせることにより光変調器や光スイッチなどの光機能素子を構成することができる。即ち、フォトニック結晶中に光機能素子を形成して接続することにより光回路を構成することができる。このような理由から、フォトニック結晶が光集積回路のプラットフォームとして期待されている。
実際に光集積回路のプラットフォームとして利用できるフォトニック結晶構造には、以下に記述するような限定がある。
フォトニック・バンド・ギャップの効果をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸よりなる３次元で利用するためには、フォトニック結晶の屈折率分布が３次元周期構造を形成する必要がある。しかし、３次元構造は複雑であり製造コストが高くなるため、２次元構造の屈折率分布を有するフォトニック結晶（以下、２次元フォトニック結晶）が利用されることが多い。具体的には利用される２次元フォトニック結晶は有限厚さを有する基板状に形成されており、屈折率分布が平面内において周期性を有するが、基板の厚さ方向には屈折率分布は周期性を有しない。この場合、基板の厚さ方向における光の閉じ込めは、ＰＢＧ効果ではなく、屈折率差に起因する全反射により実現される。
有限厚さの２次元フォトニック結晶の光学的特徴は、無限厚さの２次元フォトニック結晶の光学的特性と完全には一致しない。しかし、有限厚さの２次元フォトニック結晶の厚さ方向の屈折率分布が光伝播領域において鏡映対称であれば、その光学的特性は無限厚さの２次元フォトニック結晶の光学的特性とほぼ一致する。無限厚さの２次元フォトニック結晶の動作予測は、有限厚さの２次元フォトニック結晶の動作予測に比べて格段に容易である。このため、鏡映対称の屈折率分布を有する２次元フォトニック結晶を利用したデバイスの設計は容易になる。
現在、種々の構造の有限厚さの２次元フォトニック結晶が開発されている。例えば、柱（ピラー）型正方格子フォトニック結晶は線欠陥導波路における光の伝播速度が広い周波数帯域で遅くなるという特徴（即ち、低群速度特性）を有する。一般に、光の伝播速度の遅い導波路を用いると、所定機能の光回路を短い導波路長で構成することができる。従って、柱型正方格子フォトニック結晶を用いた線欠陥導波路は光集積回路に適している。
図１２は、有限厚さの柱型正方格子フォトニック結晶１００の線欠陥導波路の構造を示す斜視図である。柱型正方格子フォトニック結晶１００では、低誘電率材料１０１中に高誘電率材料よりなる有限高さの円柱１０２と、円柱１０２よりも直径の小さい円柱１０３とが正方格子状に配列されている。円柱１０２及び円柱１０３の正方格子状配列がシリコンや水晶などの結晶中の原子の格子状配列に似ており、かつ、光学的用途に供しているため、「フォトニック結晶」と呼ばれている。尚、低誘電率材料１０１、円柱１０２及び円柱１０３の各材料は、結晶構造である必要はなく、アモルファス構造でもよい。
図１２において、円柱１０２が完全に周期的なフォトニック結晶の円柱であるのに対し、円柱１０３は円柱１０２よりも直径が小さいため、円柱１０３を完全結晶に発生した欠陥であると見做すことができる。以下の説明では、完全結晶の円柱１０２と欠陥に相当する円柱１０３とを区別するため、前者を「非線欠陥柱」、後者を「線欠陥柱」と称す。尚、線欠陥柱１０３自体に特に欠陥があるわけではない。
柱型正方格子フォトニック結晶１００において、線欠陥柱１０３は直線状に配列されており、この線欠陥柱１０３の直線配列とその周囲の非線欠陥柱１０２によって線欠陥導波路が形成される。柱型正方格子フォトニック結晶１００の線欠陥導波路では、線欠陥柱１０３の直線配列が光ファイバなどの全反射閉じ込め型の導波路のコアに相当し、その両側の非線欠陥柱１０２の格子配列や周囲の低誘電率材料１０１がクラッドに相当する。コアとクラッドにより導波路として機能する全反射閉じ込め型の導波路と同様に、線欠陥導波路も線欠陥柱１０３やその周囲の非線欠陥柱１０２及び低誘電率材料１０１により導波路として機能する。線欠陥導波路は、適切に設計・作成することにより基本モードのみを有する単一モード導波路として作動させることができる。
前述したように、フォトニック結晶中に微小欠陥を形成することにより波長フィルタを構成することができるが、実際には、波長フィルタに光を入出力する構造体を付加する必要がある。例えば、特許文献２に開示されるように、微小共振器の近傍に線欠陥導波路を配置したり、或いは、線欠陥導波路の一部に微小共振器を挿入することにより波長フィルタを構成している。
特開２００２－３０３８３６号公報 特開２００４－２９５１１３号公報
一般に、微小共振器型波長フィルタはローレンツ型の透過特性を有しており、透過帯域幅に相当する半値全幅が狭いという問題がある。このため、複数の同一構造の微小共振器を連接配列し、微小共振器を互いに光学的に結合して作動せしめることにより、透過特性の広帯域化、即ちフラットトップ化する方法がとられてきた。微小共振器を用いてある程度の広帯域の透過／反射特性を有する波長フィルタを構成することができるが、狭帯域透過特性を有する微小共振器を用いて波長フィルタの透過特性を大幅に広帯域化するためには、結合させるべき微小共振器の数が増大し、以って、波長フィルタが大型化してしまう。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は大型化することなく、透過／反射特性の帯域を広く確保することが可能なフォトニック結晶構造を有する波長フィルタを提供することである。
　本発明に係る波長フィルタは、所定の基本モードの透過帯域を有する第１の導波路と、第１の導波路の少なくとも一箇所に設けられ、基本モードの透過帯域に含まれる有限値をカットオフ周波数とする透過帯域を有する第２の導波路を具備する。また、マッハツェンダー光干渉計を構成する一対の光結合器を第１の導波路と第２の導波路よりなるフィルタ本体の両側に接続する。
　複数の波長フィルタを縦列結合した場合、各波長フィルタの第２の導波路のカットオフ周波数を異ならせしめるようにしてもよい。
　本発明は、波長フィルタのフィルタ本体において、第１の導波路を透過する光を第２の導波路のカットオフ周波数（又は、カットオフ波長）を境界にして透過又は反射することにより、簡単な構成でカットオフ周波数を境界とした広帯域の光フィルタリングを実現する。また、構造を大型化することなく広い光透過・反射帯域を確保することができる。
本発明の実施例１に係る波長フィルタの斜視図である。 柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路の透過スペクトルを示すグラフである。 低域濾波特性に対応する透過スペクトルを示すグラフである。 線欠陥柱のピラー断面積によりピラー型フォトニック結晶導波路のカットオフ周波数を変更する方法を説明する図であり、（ａ）はＣ帯の全域で光を透過する導波路を示し、（ｂ）はＣ帯の途中にカットオフ周波数を設けた導波路を示す。 一対の３ｄＢカプラ及びフィルタ本体より構成される本発明の実施例２に係る波長フィルタの構成及び動作を説明する図である。 第１の波長フィルタ及び第２の波長フィルタよりなる本発明の実施例３に係る波長フィルタの構成及び動作を説明する図である。 実施例３に係る波長フィルタにおける入力光Ｌ１０、Ｌ１２及び出力光Ｌ１１、Ｌ１３の伝播経路及び周波数スペクトルを示す図である。 実施例３に係る波長フィルタにおいて入力光Ｌ１０を構成する光Ｌ１０ａを入射した際の伝播経路及び周波数スペクトルを示す図である。 実施例３に係る波長フィルタにおいて入力光Ｌ１０を構成する光Ｌ１０ｃを入射した際の伝播経路及び周波数スペクトルを示す図である。 実施例３に係る波長フィルタにおいて入力光Ｌ１０を構成する光Ｌ１０ｂを入射した際の伝播経路及び周波数スペクトルを示す図である。 実施例３に係る波長フィルタにおいて入力光Ｌ１２を入射した際の伝播経路及び周波数スペクトルを示す図である。 有限厚さの柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路の構造を示す斜視図である。
　本発明の実施例１に係る波長フィルタ１について図１、図２、図３、及び図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図１に示すように、波長フィルタ１は、所定の基本モードの透過帯域を具備する第１の導波路１１と、第１の導波路１１の経路中の少なくとも一箇所に設けられた第２の導波路１２とを有するフィルタ本体１０より構成される。第２の導波路１２は、第１の導波路１１の基本モード透過帯域に含まれる有限値をカットオフ波長とする基本モード透過帯域を有している。
　実施例１では、第１の導波路１１及び第２の導波路１２はフォトニック結晶導波路、即ち柱型正方格子フォトニック結晶導波路である。第１の導波路１１は、低誘電率材料からなる基体１１ａと、基体１１ａよりも高い誘電率材料からなり、円柱状に形成されて配列された非線欠陥柱１１ｂ及び線欠陥柱１１ｃより構成される。同様に、第２の導波路１２は、低誘電率材料からなる基体１２ａと、基体１２ａよりも高い誘電率材料からなり、円柱状に形成されて配列された非線欠陥柱１２ｂ及び線欠陥柱１２ｃより構成される。ここで、非線欠陥柱及び線欠陥柱については、前述した通りである。
　図２は、柱型正方格子フォトニック結晶よりなる線欠陥導波路について実際に測定した透過スペクトルの一例を示すグラフであり、横軸は波長、縦軸は透過率を示す。この導波路の透過帯域の波長は１５２５ｎｍ乃至１６０５ｎｍの範囲であり、短波長側（或いは、高周波数側）のカットオフ波長は１５２５ｎｍである。例えば、入射光の波長範囲が１４５０ｎｍ乃至１５７０ｎｍの場合、上記導波路はカットオフ波長よりも小さい波長（或いは長い波長）の光を透過するローパスフィルタとして機能する。図３は、低域濾波特性に対応する透過スペクトルを示すグラフであり、横軸は周波数、縦軸は透過率を示す。
　フォトニック結晶導波路は、その透過帯域のカットオフ波長を自由に設計することができる。ピラー型フォトニック結晶よりなる導波路の透過帯域のカットオフ周波数（又は、カットオフ波長）の設計原理について図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。例えば、光通信波長帯であるＣ帯（波長１５３０ｎｍ～１５６５ｎｍ）の場合、線欠陥柱のピラー断面積を変化させることにより、Ｃ帯の全域で光を透過する導波路（図４（ａ））と、Ｃ帯の途中にカットオフ周波数を設けた導波路（図４（ｂ））を設計することができる。従って、第１の導波路１１はＣ帯の全域で光を透過する線欠陥導波路とし、第２の導波路１２はＣ帯の途中にカットオフ周波数ｆｃを設けた有限長の線欠陥導波路とし、第１の導波路１１に第２の導波路１２を挿入してローパスフィルタを構成する。
　導波路のカットオフ周波数（又は、カットオフ波長）を変更する方法として、上記の線欠陥導波路の線欠陥柱の断面積を変化させる方法以外に種々の方法を用いることができる。例えば、線欠陥柱の配列の両側の格子を線欠陥柱から離間或いは近接する方法、中央の線欠陥柱の配列の両側に近接するピラーの断面積を大きく或いは小さくする方法などが挙げられる。
　上記により、波長フィルタ１は、Ｃ帯の全域で光を透過する第１の導波路１１と、Ｃ帯の途中にカットオフ周波数を設けた第２の導波路１２を用いて構成することができる。即ち、波長フィルタ１は、Ｃ帯を基本モードの透過帯域とする第１の導波路１１と、第１の導波路１１の経路中の少なくとも１箇所に設けられた第２の導波路１２を具備するフィルタ本体１０より構成され、第２の導波路１２はカットオフ周波数ｆｃ（Ｃ帯に含まれる有限値）を有する基本モードの透過帯域を設けたローパスフィルタである。第１の導波路１１と第２の導波路１２はともに単一モード導波路であり、その動作帯域は（第１の導波路１１の基本モードの透過帯域である）Ｃ帯の一部又は全域であり、当該動作帯域中に第２の導波路１２のカットオフ周波数ｆｃが含まれ、そのカットオフ周波数ｆｃは高周波数側のカットオフ周波数となっている。
　実施例１では、第２の導波路１２にピラー型フォトニック結晶を用いているため、カットオフ周波数ｆｃが透過帯域の上限周波数となり、以って、ローパスフィルタとして機能する。一方、第２の導波路１２に孔型フォトニック結晶を用いた場合、カットオフ周波数ｆｃが透過帯域の下限周波数となり、ハイパスフィルタとして機能する。その構成の場合、第１の導波路１にも同時に孔型フォトニック結晶を用いてもよい。
　次に、実施例１に係る波長フィルタ１をフォトニック結晶に実装する際の方法について説明する。
　フォトニック結晶はＳＯＩウエハ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　Ｗａｆｅｒ）を基板として作製する。ここでは、埋め込み酸化膜の厚さを２．０μｍ、シリコン活性層の厚さを１．０μｍとしたＳＯＩウエハを使用する。また、シリコン活性層はノン・ドープとする。
　初めに、電子線露光技術を用いて図１に示すパターンを描画する。光通信用の導波光の波長を１．５５μｍとした場合、格子定数を０．４μｍ、円柱の直径を０．２４μｍとする。線欠陥柱１１ｃの直径は０．１６μｍ、また、線欠陥柱１２ｃの直径は０．２０μｍとする。
　次に、異方性ドライエッチングにより描画したレジストパターンに従いシリコン活性層を垂直に加工する。その後、残留したレジストパターンをアセトンで除去し、埋め込み酸化膜と同じ屈折率１．４５の紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線で硬化させる。このようにして、波長フィルタ１を作製する。
　次に、本発明の実施例２に係る波長フィルタ２０について説明する。ここで、実施例１と同一の部材については同一の符号を付して、その説明を省略する。
　図５に示すように、実施例２に係る波長フィルタ２０は方向性結合器であり、一対の３ｄＢカプラ２１、２２と、３ｄＢカプラ２１、２２の間に配設された２つのフィルタ本体２３、２４を具備する。フィルタ本体２３、２４はいずれもフィルタ本体１０と同様の構成を有しており、第１の導波路１１及び第２の導波路１２より構成される。一対の３ｄＢカプラ２１、２２によりマッハツェンダー光干渉計を構成しており、フィルタ本体２３、２４の端部は３ｄＢカプラ２１、２２に夫々接続されている。図５では、３ｄＢカプラ２１、２２を模式的に線状の導波路で表しているが、３ｄＢカプラ２１、２２をフォトニック結晶導波路で構成してもよい。波長フィルタ２０の動作周波数範囲内において、３ｄＢカプラ２１、２２の波長依存性が十分に小さいことが好ましい。
　次に、波長フィルタ２０の動作について説明する。
　前記フィルタ本体１０と同様に、フィルタ本体２３、２４はカットオフ周波数ｆ１のローパスフィルタを構成しており、３ｄＢカプラ２１、２２の上限側のカットオフ周波数はｆ０である。ここで、周波数ｆｉ（ｆｉ＜ｆ０）の入力光Ｌ１を３ｄＢカプラ２１のポート２１ａに入射すると、入力光Ｌ１は３ｄＢカプラ２１を透過する際に２つの分岐光Ｌ２、Ｌ３に分岐する。分岐光Ｌ２はポート２１ｂからフィルタ本体２３に供給され、分岐光Ｌ３はポート２１ｃからフィルタ本体２４に供給される。
　波長フィルタ２０は、入力光Ｌ１の周波数Ｌｉ、３ｄＢカプラ２１、２２の上限カットオフ周波数ｆ０、及びフィルタ本体２３、２４のカットオフ周波数ｆ１の大小関係に応じて、以下の動作を行なう。
　先ず、入力光Ｌ１の周波数ｆｉがｆ１＜ｆｉ＜ｆ０の場合、入力光Ｌ１の周波数ｆｉがフィルタ本体２３、２４のカットオフ周波数ｆ１より高いため、分岐光Ｌ２、Ｌ３はフィルタ本体２３、２４を透過されずに反射される。反射された分岐光Ｌ２、Ｌ３は３ｄＢカプラ２１に戻ることとなるが、両者の位相が変化しなければ、３ｄＢカプラ２１を逆方向に透過した出力光Ｌ４となって、ポート２１ｄから出力される。
　入力光Ｌ１の周波数ｆｉがｆｉ＜ｆ１の場合、入力光Ｌ１の周波数ｆｉがフィルタ本体２３、２４のカットオフ周波数ｆ１より低いため、分岐光Ｌ２、Ｌ３はフィルタ本体２３、２４を透過して、ポート２２ａ、２２ｂを経由して３ｄＢカプラ２２に供給される。その後、分岐光Ｌ２、Ｌ３は３ｄＢカプラ２２を透過するが、その際、両者の位相が変化しなければ、出力光Ｌ５としてポート２２ｃから出力される。
　上記の波長フィルタ２０の動作により、周波数スペクトルＳ１の入力光Ｌ１を３ｄＢカプラ２１のポート２１ａに入射すると、３ｄＢカプラ２１のポート２１ｄから周波数スペクトルＳ４の出力光Ｌ４が出力され、一方、３ｄＢカプラ２２のポート２２ｃから周波数スペクトルＳ５の出力光Ｌ５が出力される。即ち、マッハツェンダー光干渉計である波長フィルタ２０により、カットオフ周波数ｆ１を境界として、入力光Ｌ１は高周波数側の出力光Ｌ４と低周波数側の出力光Ｌ５に分波される。
　また、波長フィルタ２０を逆方向に作動させると、合波器として機能する。この場合、３ｄＢカプラ２１のポート２１ｄに周波数ｆｉａ（ｆ１＜ｆｉａ＜ｆ０）の光を入射し、３ｄＢカプラ２２のポート２２ｃに周波数ｆｉｂ（ｆｉｂ＜ｆ１）の光を同時に入射すると、３ｄＢカプラ２１のポート２１ａから周波数ｆｉａ及び周波数ｆｉｂの光が多重化されて出力される。
　次に、本発明の実施例３に係る波長フィルタ３０について図６乃至図１１を参照して説明する。ここで、実施例１及び実施例２と同一部分については同一の符号を付して、その説明を省略する。
　図６に示すように、実施例３に係る波長フィルタ３０はマッハツェンダー光干渉計を構成しており、第１の波長フィルタ３１と第２の波長フィルタ３２を接続して構成される。実施例２に係る波長フィルタ２０と同様に、第１の波長フィルタ３１は一対の３ｄＢカプラ３３、３４とフィルタ本体３５、３６より構成される。同様に、第２の波長フィルタ３２は一対の３ｄＢカプラ３７、３８とフィルタ本体３９、４０より構成される。波長フィルタ３０は、以下に詳述するように、周波数ｆｉ（ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１＜ｆ０）の光を透過するバンドパスフィルタとして機能する。
　波長フィルタ３０において、第１の波長フィルタ３１のフィルタ本体３５、３６の第２の導波路のカットオフ周波数ｆ１は、第２の波長フィルタ３２のフィルタ本体３９、４０の第２の導波路のカットオフ周波数ｆ２とは異なっており、ｆ２＜ｆ１の関係となっている。
　第１の波長フィルタ３１において、フィルタ本体３５、３６の一端側に接続された３ｄＢカプラ３３は、ポート３３ａ、３３ｂにて光を入出力可能となっている。また、フィルタ本体３５、３６の他端側に接続された３ｄＢカプラ３４は、ポート３４ａ、３４ｂが第２の波長フィルタ３２の３ｄＢカプラ３７、３８のポート３７ａ、３８ａに夫々接続されている。
　第２の波長フィルタ３２において、フィルタ本体３９、４０の一端側に接続された３ｄＢカプラ３７のポート３７ａは３ｄＢカプラ３４のポート３４ａに接続され、ポート３７ｂは光を入出力可能とされている。一方、第２の波長フィルタ３２のフィルタ本体３９、４０の他端側に接続された３ｄＢカプラ３８のポート３８ａは３ｄＢカプラ３４のポート３４ｂに接続され、ポート３８ｂは光を入出力可能とされている。
　３ｄＢカプラ３３、３４及び３ｄＢカプラ３８は各々中心対称とされており、入力導波路に対して対角線を成す位置（即ち、点対称となる位置）に設けられた導波路に光を出力するように、３ｄＢカプラ３３、３４、３８を構成する平行導波路の長さを決定している。また、３ｄＢカプラ３７では、入力導波路に対して対角線を成す位置ではなく、その中心位置で入力導波路を垂直に横切る面に対して面対称を成す位置に設けられた導波路に光を出力するように、３ｄＢカプラ３７を構成する平行導波路の長さを決定している。
　次に、波長フィルタ３０の動作の概要について説明する。
　図７は、波長フィルタ３０の透過特性を示す。ここで、第１の入力光Ｌ１０は周波数スペクトルＳ１０を有しており、複数の異なる波長の光Ｌ１０ａ、Ｌ１０ｂ、Ｌ１０ｃを含む。第１の入力光Ｌ１０を３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射すると、ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１の周波数ｆｉを有する光Ｌ１０ｂは第１の波長フィルタ３１から第２の波長フィルタ３２に伝播し、以って、３ｄＢポート３８ｂから周波数スペクトルＳ１１を有する出力光Ｌ１１が出力される。第１の入力光Ｌ１０のうち、ｆ１＜ｆｉ＜ｆ０の周波数ｆｉを有する光Ｌ１０ａは第１の波長フィルタ３１において反射され、以って、光Ｌ１３ａ及び光Ｌ１３ｃとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。また、ｆｉ＜ｆ２の周波数ｆｉを有する光Ｌ１０ｃは、第１の波長フィルタ３１と第２の波長フィルタ３２を順に伝播した後、もう一度第１の波長フィルタ３１を伝播し、同じく光Ｌ１３ｃとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。
　一方、ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１の周波数ｆｉを有し、かつ、周波数スペクトルＳ１２を有する第２の入力光Ｌ１２が第２の波長フィルタ３２の３ｄＢカプラ３８のポート３８ｂに入射する。第２の入力光Ｌ１２は第２の波長フィルタ３２及び第１の波長フィルタ３１を伝播し、光Ｌ１３ｂとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。即ち、光Ｌ１０ａ、Ｌ１０ｃに対応する光Ｌ１３ａ、Ｌ１３ｃと、第２の入力光Ｌ１２に対応する光Ｌ１３ｂが合波され、出力光Ｌ１３として第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。出力光Ｌ１３の周波数スペクトルＳ１３は、光Ｌ１０ａ、Ｌ１０ｃ及び第２の入力光Ｌ１２の各周波数スペクトルを合わせたものとなる。
　上記のように、波長フィルタ３０はオプティカルアド／ドロップフィルタ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ　Ｆｉｌｔｅｒ）として機能する。
　次に、図８乃至図１１を参照して波長フィルタ３０の動作を詳細に説明する。
　ｆ１＜ｆｉ＜ｆ０の周波数ｆｉを有し、かつ、周波数スペクトルＳ１０ａを有する光Ｌ１０ａを３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射すると、光Ｌ１０ａは図８に破線で示す伝播経路５１を経由して第１の波長フィルタ３１を伝播する。図８は、光Ｌ１０ａが第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射して、ポート３３ｂから光Ｌ１３ａとして出力される様子を模式的に示しているが、実際には、光Ｌ１０ａは３ｄＢカプラ３３を透過した後、２分割されてフィルタ本体３５及び３６に供給される。その後、光Ｌ１０ａの分岐光はフィルタ本体３５、３６にて反射されて、周波数スペクトルＳ１３ａを有する光Ｌ１３ａとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。
　ｆｉ＜ｆ２の周波数ｆｉを有し、かつ、周波数スペクトルＳ１０ｃを有する光Ｌ１０ｃを３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射すると、光Ｌ１０ｃは図９に破線で示す伝播経路５２、５３、５４を経由して第１の波長フィルタ３１及び第２の波長フィルタ３２を伝播する。図９は、光Ｌ１０ｃが第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射して、ポート３３ｂから光Ｌ１３ｃとして出力される様子を模式的に示しているが、実際には、光Ｌ１０ｃは３ｄＢカプラ３３を透過した後、２分割されてフィルタ本体３５及び３６に供給される。この透過光は３ｄＢカプラ３４のポート３４ｂから出力された後、３ｄＢカプラ３８のポート３８ａに伝播する。また、３ｄＢカプラ３８の入力光は２分割されて第２の波長フィルタ３２のフィルタ本体３９、４０を伝播して３ｄＢカプラ３７のポート３７ａから出力され、第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３４のポート３４ａに入力される。３ｄＢカプラ３４の透過光は２分割されて第１の波長フィルタ３１のフィルタ本体３５、３６を伝播し、その後、周波数スペクトルＳ１３ｃを有する光Ｌ１３ｃとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。
　ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１の周波数ｆｉを有し、かつ、周波数スペクトルＳ１０ｂを有する光Ｌ１０ｂを３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射すると、光Ｌ１０ｂは図１０に破線で示す伝播経路５５、５６、５７を経由して第１の波長フィルタ３１及び第２の波長フィルタ３２を伝播する。図１０は、光Ｌ１０ｂが第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射して、第２の波長フィルタ３２のカプラ３８のポート３８ｂから出力光Ｌ１１として出力される様子を模式的に示している。具体的には、光Ｌ１０ｂは第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３３及び３ｄＢカプラ３４を透過した後、３ｄＢカプラ３８のポート３８ａに入力される。３ｄＢカプラ３８の入力光は、２分割されてフィルタ本体３９、４０にて反射され、周波数スペクトルＳ１１を有する出力光Ｓ１１としてポート３８ｂから出力される。
　ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１の周波数ｆｉを有し、かつ、周波数スペクトルＳ１２を有する入力光Ｌ１２を３ｄＢカプラ３８のポート３８ｂに入射すると、光Ｌ１２は図１１に破線で示す伝播経路５８を経由して第２の波長フィルタ３２及び第１の波長フィルタ３１を伝播する。図１１は、光Ｌ１２が第２の波長フィルタ３２の３ｄＢカプラ３８のポート３８ｂに入射して、第１の波長フィルタ３１のカプラ３３のポート３３ｂから出力光Ｌ１３ｂとして出力される様子を模式的に示している。具体的には、光Ｌ１２は第２の波長フィルタ３２の３ｄＢカプラ３７のポート３７ｂに伝播し、３ｄＢカプラ３７を透過して２分割されてフィルタ本体３９、４０に供給される。透過光はフィルタ本体３９、４０にて反射され、３ｄＢカプラ３７のポート３７ａから出力される。その後、透過光は第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３４のポート３４ａに供給され、フィルタ本体３５、３６を経由して３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから光Ｌ１３ｂとして出力される。
　以上のように、実施例３に係る波長フィルタ３０は狭帯域の共振器を用いることなく、広帯域の波長フィルタ（即ち、アド／ドロップ・フィルタ）として機能する。また、カットオフ周波数ｆ１、ｆ２は第１の波長フィルタ３１及び第２の波長フィルタ３２のフィルタ本体３５、３６、３９、４０の第２の導波路のカットオフ周波数であるため、全体の回路面積を変更することなく波長フィルタ３０を容易に設計することができる。即ち、波長フィルタ３０は共振器型の波長フィルタとは異なり、一定の周波数帯域の光についてアド／ドロップ動作を容易に実行することができる。
　これまで、フォトニック結晶を用いた波長フィルタの各実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、フォトニック結晶を構成する線欠陥柱以外の円柱を変位させたり、その断面積を増減するようにしてもよい。また、柱形状は円柱に限定されるものではなく、四角柱や八角柱などの他の形状であってもよい。
　本発明は各実施例に限定されるものではない。各実施例は例示的であり限定的なものではなく、添付した特許請求の範囲にて定義した発明の範囲内において更に変更しうるものである。
　本発明は、簡易かつ小型の構造を有し、かつ、広帯域の光透過・反射を実現する波長フィルタを提供するものであり、種々の光集積回路や光通信技術に適用することができる。
　１　　波長フィルタ（実施例１）
　１０　フィルタ本体
　１１　第１の導波路
　１２　第２の導波路
　２０　波長フィルタ（実施例２）
　２１　３ｄＢカプラ
　２２　３ｄＢカプラ
　３０　波長フィルタ（実施例３）
　３１　第１の波長フィルタ
　３２　第２の波長フィルタ

Claims (14)

  1. 　所定の基本モードの透過帯域を有する第１の導波路と、
    　第１の導波路の少なくとも一箇所に設けられ、基本モードの透過帯域に含まれる有限値をカットオフ周波数とする透過帯域を有する第２の導波路を具備した波長フィルタ。
  2. 　第１の導波路と第２の導波路はともに単一モード導波路である請求項１記載の波長フィルタ。
  3. 　動作帯域が第１の導波路の基本モードの透過帯域の一部又は全部である請求項１記載の波長フィルタ。
  4. 　動作帯域が第２の導波路のカットオフ周波数を含むものである請求項３記載の波長フィルタ。
  5. 　第２の導波路のカットオフ周波数は高周波数側に設定するようにした請求項１記載の波長フィルタ。
  6. 　第２の導波路がフォトニック結晶の導波路である請求項１記載の波長フィルタ。
  7. 　第２の導波路がピラー型フォトニック結晶の導波路である請求項１記載の波長フィルタ。
  8. 　第１の導波路がフォトニック結晶の導波路である請求項１記載の波長フィルタ。
  9. 　第１の導波路がピラー型フォトニック結晶の導波路である請求項１記載の波長フィルタ。
  10. 　第１の導波路と第２の導波路よりなるフィルタ本体の両端に接続された一対の光結合器を更に具備した請求項１記載の波長フィルタ。
  11. 　一対の光結合器がマッハツェンダー光干渉計を構成している請求項１０記載の波長フィルタ。
  12. 　一対の光結合器をフォトニック結晶の導波路より構成してなる請求項１１記載の波長フィルタ。
  13. 　一対の光結合器をピラー型フォトニック結晶の導波路より構成してなる請求項１２記載の波長フィルタ。
  14. 　第１の波長フィルタと第２の波長フィルタを接続してなる波長フィルタであって、第１の波長フィルタ及び第２の波長フィルタは各々所定の基本モードの透過帯域を有する第１の導波路と、第１の導波路の少なくとも一箇所に設けられ、基本モードの透過帯域に含まれる有限値をカットオフ周波数とする透過帯域を有する第２の導波路とよりなるフィルタ本体と、フィルタ本体の両端に接続され、マッハツェンダー光干渉計を構成する一対の光結合器を具備し、第１の波長フィルタの第２の導波路のカットオフ周波数と第２の波長フィルタの第２の導波路のカットオフ周波数とを異ならせしめた波長フィルタ。
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